了解模数转换器中的噪声、ENOB和有效分辨率
噪声、有效位数（enob）、有效分辨率和无噪声分辨率等规格在很大程度上决定了adc的实际精度。因此，了解与噪声相关的性能指标是从sar过渡到δ-σ型adc的最困难方面之一。随着当前对更高分辨率的需求，设计人员必须更好地了解adc噪声、enob、有效分辨率和信噪比（snr）。本应用说明有助于理解这一点。
adc的主要趋势之一是向更高分辨率的方向发展。这一趋势影响着广泛的应用，包括工厂自动化、温度传感和数据采集。从传统的12位逐次逼近寄存器（sar）adc到分辨率达到24位的δ-σ型adc，设计人员对更高分辨率的需求正好。
所有adc都有一定的噪声量。这包括adc固有的折合输入噪声和量化噪声（adc转换时产生的噪声）。噪声、有效位数（enob）、有效分辨率和无噪声分辨率等规格在很大程度上决定了adc的实际精度。因此，了解与噪声相关的性能指标是从sar过渡到δ-σ型adc的最困难方面之一。随着当前对更高分辨率的需求，设计人员必须更好地了解adc噪声、enob、有效分辨率和信噪比（snr）。本文有助于理解这种理解。
更高的分辨率和δ-σ型adc的价值
过去，12位sar adc通常足以测量各种信号和电压输入。如果应用需要更精细的测量，可以在adc前面增加一个增益级或可编程增益放大器（pga）。
在16位时，设计人员的选择仍然主要是sar adc，但也包括一些δ-σ型adc。然而，对于需要超过16位的设计，δ-σ型adc正变得越来越普遍。sar adc目前限制为18位，而δ-σ型adc正在扩大其18位、20位和24位的存在。δ-σ型adc还有其他优点。在过去的10年中，它们的价格大幅下降，并且变得更加易于使用和更广泛地理解。
有效解决
有效分辨率以位为单位定义，公式如下：
有效分辨率 =log2 [full-scale input voltage range/adc rms noise]
或者更简单地说：
有效分辨率 = log2 [vin/vrms_noise]
有效的分辨率不应与enob混淆，尽管它们听起来非常相似。测量enob最常用的方法是对adc的正弦波输入进行fft分析。ieee标准1057将enob定义为：enob = 日志2[满量程输入电压范围//(adc rms noise × √12)]
sinad 定义为信噪比加失真比。sinad 和 enob 用于测量 adc 的动态性能。
因此：sinad = [有效值输入电压/有效值噪声电压]
其中
其中eavm = residual of xavm, and xavm(fm) 是dft之后给定离散频率下的平均幅度频谱分量。
有效的分辨率和无噪声分辨率可测量adc在直流时的噪声性能，其中频谱失真（thd、sfdr）不考虑在内。
一旦知道adc的噪声和输入范围，计算有效分辨率和无噪声分辨率就变得简单了。
adc的输入电压范围基于基准电压。如果adc集成了pga，则也必须将其考虑在电压范围内。一些δ-σ型adc包括pga，用于增益小信号。采用pga的最新adc通常将噪声指定为<100nv有效值.虽然与较旧的adc相比，这些噪声数据看起来令人印象深刻，但它们通常基于非常小的输入范围。这是因为小范围最终将被放大，以适合基于基准电压的adc有源范围的更大部分。因此，虽然这些带pga的adc的噪声看起来很小，但有效分辨率和无噪声分辨率可能不如没有pga的adc。
考虑一个简单的例子。pga 设置为 128 的 24 位 adc 提供 70nv有效值基准电压为 2.5v、输入范围为±vref/pga （±2.5v/128 = 39.1mv）。因此，有效的解决方案是：
log2 [vin/vrms_noise] = log2 [39.1mv/70nv] = 19.1 bits
使用pga设置为1的同一adc，噪声上升至1.53μv有效值.输入范围为5v （±2.5v/1）时，有效分辨率变为21.6位。
最佳做法是查看adc数据手册中所需的输入范围。
无噪声分辨率
无噪声分辨率使用峰峰值电压噪声，而不是rms噪声。无噪声分辨率（也以位为单位）由以下公式定义：
无噪声分辨率 = log2[满量程输入电压范围/adc峰峰值噪声]
noise-free resolution = log2 [vin/vp-p_noise].
无噪声分辨率有时也称为无闪烁分辨率。把它想象成实验室中的 51/2 或 61/2 位万用表。如果显示屏上的最后一位数字稳定且不闪烁，则数据输出字优于系统的噪声水平。
以6.6的波峰因数为例，峰峰值噪声是rms噪声的6.6倍。因此，有效分辨率比无噪声分辨率高2.7位。使用上述相同的噪声和参考值，无噪声分辨率为18.9位。
无噪音计数
无噪声计数是精密系统用来评估adc性能的另一个指标。对于像电子秤这样的应用尤其如此，其中可能需要 50，000 个无噪音计数。该值可以通过将无噪声分辨率转换为2倍的计数来计算n.
一个例子是10位adc。使用公式 210，理想的10位adc具有1，024个无噪声计数。理想的12位adc具有4，096个无噪声计数。同样，使用上述相同的无噪声分辨率值，该示例将产生 218.9，或 489，178 个无噪声计数。
使用δ-σ型adc进行过采样
δ-σ型adc的优势之一是其过采样架构。这意味着内部振荡器/时钟的运行频率远高于输出数据速率，也称为吞吐速率。一些δ-σ型adc可以改变输出数据速率。这使得设计人员能够优化采样，以获得更高的速度和更差的噪声性能，或者针对具有更多滤波、噪声整形（将噪声推入测量感兴趣区域之外的频段）和更好的噪声性能的较低速度。许多最新的δ-σ型adc以表格形式提供有效分辨率和无噪声分辨率结果，便于比较权衡取舍。
表1显示了adc在双极性输入模式和单极性模式下的数据速率、噪声、无噪声分辨率（nfr）和有效分辨率示例。adc为max11200，24位器件，能够测量双极性（±v裁判） 或单极性（0v 至 v裁判） 输入。max11200采用2.7v至3.6v单电源供电，基准可偏置至电源。双极性值基于最大输入范围±3.6v;单极性测量基于 0v 至 3.6v 输入范围。
max11200的内部振荡器可通过软件编程为2.4576mhz（在较低数据速率设置下为60hz抑制），或设置为2.048mhz（在较低数据速率下具有50hz抑制）。在任一数据速率下，adc噪声都是相同的。因此，得到的无噪声分辨率和有效分辨率值是一致的。外部振荡器可用于 55hz 陷波，在 50hz 和 60hz 下均提供良好的抑制性能。
表1中详述的一个关键因素是双极性有效分辨率。这限制为最大 24 位，因为输出数据字的长度为 24 位。在三种最慢的数据速率设置下，如果adc在串行接口上输出超过24位的数据，则adc的噪声电平足够低，则有效分辨率优于24位。
有效分辨率始终比无噪声分辨率好2.7位，除非您受到数据输出字的限制。
数据速率 模数转换器噪声 （μv有效值) 双极性无噪声分辨率（位） 双极性有效分辨率（位） 单极性无噪声分辨率（位） 单极性有效分辨率（位）
* **
1 0.83 0.21 22.3 24.0 21.3 24.0
2.5 2.08 0.27 22.0 24.0 21.0 23.7
5 4.17 0.39 21.4 24.0 20.4 23.1
10 8.33 0.57 20.9 23.6 19.9 22.6
15 12.5 0.74 20.5 23.2 19.5 22.2
30 25 1.03 20.0 22.7 19.0 21.7
60 50 1.45 19.5 22.2 18.5 21.2
120 100 2.21 19.0 21.7 18.0 20.7
*内部振荡器在60hz抑制时为2.4576mhz。
**对于 50hz 抑制，内部振荡器为 2.048mhz。
噪声整形和滤波，可降低噪声并提高分辨率
除了过采样之外，噪声整形还允许δ-σ型adc实现表1所示的低噪声和高精度。如图 1 到 3 所示。图1显示了标准adc的量化噪声。图2详细介绍了一个adc，其中包括过采样、数字滤波器和抽取。绝大多数使用过采样的adc内核都是三角积分。n倍的过采样将噪声传播到更宽的频带，而数字（sinc）滤波器则消除了很大一部分噪声。
图1.标准adc噪声性能。
图2.具有n倍过采样、数字滤波器和抽取功能的adc。
图3详细介绍了具有与图2相同的模块的δ-σ调制器，以及噪声整形。通过将噪声不成比例地推到更高的频率，目标频带中的噪声变得超低。此类技术使δ-σ-adc制造商能够实现1μv<有效值噪音数字。
图3.具有n因子过采样、噪声整形、数字滤波器和抽取功能的adc。adc目标输入频带中的噪声（绿色区域）变得非常小。
结论
δ-σ型adc具有过采样能力和固有的低噪声特性，是需要更高分辨率系统的绝佳设计选择。由于设计人员必须分辨更小的信号，因此对adc噪声、有效分辨率、enob和无噪声分辨率的深刻理解成为选择正确adc解决方案不可或缺的一部分。
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所有adc都有一定的噪声量。这包括adc固有的折合输入噪声和量化噪声（adc转换时产生的噪声）。噪声、有效位数（enob）、有效分辨率和无噪声分辨率等规格在很大程度上决定了adc的实际精度。因此，了解与噪声相关的性能指标是从sar过渡到δ-σ型adc的最困难方面之一。随着当前对更高分辨率的需求，设计人员必须更好地了解adc噪声、enob、有效分辨率和信噪比（snr）。本文有助于理解这种理解。
更高的分辨率和δ-σ型adc的价值
过去，12位sar adc通常足以测量各种信号和电压输入。如果应用需要更精细的测量，可以在adc前面增加一个增益级或可编程增益放大器（pga）。
在16位时，设计人员的选择仍然主要是sar adc，但也包括一些δ-σ型adc。然而，对于需要超过16位的设计，δ-σ型adc正变得越来越普遍。sar adc目前限制为18位，而δ-σ型adc正在扩大其18位、20位和24位的存在。δ-σ型adc还有其他优点。在过去的10年中，它们的价格大幅下降，并且变得更加易于使用和更广泛地理解。
有效解决
有效分辨率以位为单位定义，公式如下：
有效分辨率 =log2 [full-scale input voltage range/adc rms noise]
或者更简单地说：
有效分辨率 = log2 [vin/vrms_noise]
有效的分辨率不应与enob混淆，尽管它们听起来非常相似。测量enob最常用的方法是对adc的正弦波输入进行fft分析。ieee标准1057将enob定义为：enob = 日志2[满量程输入电压范围//(adc rms noise × √12)]
sinad 定义为信噪比加失真比。sinad 和 enob 用于测量 adc 的动态性能。
因此：sinad = [有效值输入电压/有效值噪声电压]
其中
其中eavm = residual of xavm, and xavm(fm) 是dft之后给定离散频率下的平均幅度频谱分量。
有效的分辨率和无噪声分辨率可测量adc在直流时的噪声性能，其中频谱失真（thd、sfdr）不考虑在内。
一旦知道adc的噪声和输入范围，计算有效分辨率和无噪声分辨率就变得简单了。
adc的输入电压范围基于基准电压。如果adc集成了pga，则也必须将其考虑在电压范围内。一些δ-σ型adc包括pga，用于增益小信号。采用pga的最新adc通常将噪声指定为<100nv有效值.虽然与较旧的adc相比，这些噪声数据看起来令人印象深刻，但它们通常基于非常小的输入范围。这是因为小范围最终将被放大，以适合基于基准电压的adc有源范围的更大部分。因此，虽然这些带pga的adc的噪声看起来很小，但有效分辨率和无噪声分辨率可能不如没有pga的adc。
考虑一个简单的例子。pga 设置为 128 的 24 位 adc 提供 70nv有效值基准电压为 2.5v、输入范围为±vref/pga （±2.5v/128 = 39.1mv）。因此，有效的解决方案是：
log2 [vin/vrms_noise] = log2 [39.1mv/70nv] = 19.1 bits
使用pga设置为1的同一adc，噪声上升至1.53μv有效值.输入范围为5v （±2.5v/1）时，有效分辨率变为21.6位。
最佳做法是查看adc数据手册中所需的输入范围。
无噪声分辨率
无噪声分辨率使用峰峰值电压噪声，而不是rms噪声。无噪声分辨率（也以位为单位）由以下公式定义：
无噪声分辨率 = log2[满量程输入电压范围/adc峰峰值噪声]
noise-free resolution = log2 [vin/vp-p_noise].
无噪声分辨率有时也称为无闪烁分辨率。把它想象成实验室中的 51/2 或 61/2 位万用表。如果显示屏上的最后一位数字稳定且不闪烁，则数据输出字优于系统的噪声水平。
以6.6的波峰因数为例，峰峰值噪声是rms噪声的6.6倍。因此，有效分辨率比无噪声分辨率高2.7位。使用上述相同的噪声和参考值，无噪声分辨率为18.9位。
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无噪声计数是精密系统用来评估adc性能的另一个指标。对于像电子秤这样的应用尤其如此，其中可能需要 50，000 个无噪音计数。该值可以通过将无噪声分辨率转换为2倍的计数来计算n.
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使用δ-σ型adc进行过采样
δ-σ型adc的优势之一是其过采样架构。这意味着内部振荡器/时钟的运行频率远高于输出数据速率，也称为吞吐速率。一些δ-σ型adc可以改变输出数据速率。这使得设计人员能够优化采样，以获得更高的速度和更差的噪声性能，或者针对具有更多滤波、噪声整形（将噪声推入测量感兴趣区域之外的频段）和更好的噪声性能的较低速度。许多最新的δ-σ型adc以表格形式提供有效分辨率和无噪声分辨率结果，便于比较权衡取舍。
表1显示了adc在双极性输入模式和单极性模式下的数据速率、噪声、无噪声分辨率（nfr）和有效分辨率示例。adc为max11200，24位器件，能够测量双极性（±v裁判） 或单极性（0v 至 v裁判） 输入。max11200采用2.7v至3.6v单电源供电，基准可偏置至电源。双极性值基于最大输入范围±3.6v;单极性测量基于 0v 至 3.6v 输入范围。
max11200的内部振荡器可通过软件编程为2.4576mhz（在较低数据速率设置下为60hz抑制），或设置为2.048mhz（在较低数据速率下具有50hz抑制）。在任一数据速率下，adc噪声都是相同的。因此，得到的无噪声分辨率和有效分辨率值是一致的。外部振荡器可用于 55hz 陷波，在 50hz 和 60hz 下均提供良好的抑制性能。
表1中详述的一个关键因素是双极性有效分辨率。这限制为最大 24 位，因为输出数据字的长度为 24 位。在三种最慢的数据速率设置下，如果adc在串行接口上输出超过24位的数据，则adc的噪声电平足够低，则有效分辨率优于24位。
有效分辨率始终比无噪声分辨率好2.7位，除非您受到数据输出字的限制。
数据速率 模数转换器噪声 （μv有效值) 双极性无噪声分辨率（位） 双极性有效分辨率（位） 单极性无噪声分辨率（位） 单极性有效分辨率（位）
* **
1 0.83 0.21 22.3 24.0 21.3 24.0
2.5 2.08 0.27 22.0 24.0 21.0 23.7
5 4.17 0.39 21.4 24.0 20.4 23.1
10 8.33 0.57 20.9 23.6 19.9 22.6
15 12.5 0.74 20.5 23.2 19.5 22.2
30 25 1.03 20.0 22.7 19.0 21.7
60 50 1.45 19.5 22.2 18.5 21.2
120 100 2.21 19.0 21.7 18.0 20.7
*内部振荡器在60hz抑制时为2.4576mhz。
**对于 50hz 抑制，内部振荡器为 2.048mhz。
噪声整形和滤波，可降低噪声并提高分辨率
除了过采样之外，噪声整形还允许δ-σ型adc实现表1所示的低噪声和高精度。如图 1 到 3 所示。图1显示了标准adc的量化噪声。图2详细介绍了一个adc，其中包括过采样、数字滤波器和抽取。绝大多数使用过采样的adc内核都是三角积分。n倍的过采样将噪声传播到更宽的频带，而数字（sinc）滤波器则消除了很大一部分噪声。
图1.标准adc噪声性能。
图2.具有n倍过采样、数字滤波器和抽取功能的adc。
图3详细介绍了具有与图2相同的模块的δ-σ调制器，以及噪声整形。通过将噪声不成比例地推到更高的频率，目标频带中的噪声变得超低。此类技术使δ-σ-adc制造商能够实现1μv<有效值噪音数字。
图3.具有n因子过采样、噪声整形、数字滤波器和抽取功能的adc。adc目标输入频带中的噪声（绿色区域）变得非常小。
结论
δ-σ型adc具有过采样能力和固有的低噪声特性，是需要更高分辨率系统的绝佳设计选择。由于设计人员必须分辨更小的信号，因此对adc噪声、有效分辨率、enob和无噪声分辨率的深刻理解成为选择正确adc解决方案不可或缺的一部分。
PCB的分类以及制造工艺
斑马智行发布首个智能座舱操作系统 采用多核分布式融合架构
笔记本电脑名词解释大全（二）
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短短数年，中国5G芯片为何独步天下？
了解模数转换器中的噪声、ENOB和有效分辨率
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